Тема 5_2010__Процессоры (Лекции (ещё одни))

Тема 5_2010: Процессоры.0.Краткая история и основные термины1.Понятие архитектуры ЭВМ и ВС ............................................................................... 12.RISC- и CISC-архитектуры.......................................................................................... 33.RISC архитектура ......................................................................................................... 33.1.

Основные принципы RISC-архитектуры ........................................................... 33.2. Отличительные черты RISC- и CISC- архитектур ............................................ 53.3. Некоторые задачи реализации RISC-процессоров ............................................ 63.4. Методы адресации и типы команд .................................................................... 103.5. Компьютеры со стековой архитектурой ........................................................... 123.6. Оптимизация системы команд........................................................................... 181.Понятие архитектуры ЭВМ и ВСАрхитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программныхсредств, из которых строится ЭВМ.

Каждый из уровней допускает многовариантноепостроение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенностиструктурного построения ЭВМ.Детализацией архитектурного и структурного построения ЭВМ занимаютсяразличные категории специалистов вычислительной техники. Инженеры-схемотехникипроектируют отдельные технические устройства и разрабатывают методы ихсопряжения друг с другом. Системные программист создают программы управлениятехническими средствами, информационного взаимодействия между уровнями,организации вычислительного процесса. Программисты-прикладники разрабатываютпакеты программ более высокого уровня, которые обеспечивают взаимодействиепользователей с ЭВМ и необходимый сервис при решении ими своих задач.Пользователя интересуют обычно более общие вопросы, касающиеся еговзаимодействия с ЭВМ (человеко-машинного интерфейса), начиная со следующихгрупп характеристик ЭВМ, определяющих ее структуру:• техническиеиэксплуатационныехарактеристикиЭВМ(быстродействие и производительность, показатели надежности,достоверности, точности, емкость оперативной и внешнейпамяти,габаритныеразмеры,стоимостьтехническихипрограммных средств, особенности эксплуатации и др.);• характеристики и состав функциональных модулей базовойконфигурацииЭВМ;возможностьрасширениясоставатехнических и программных средств; возможность измененияструктуры;• состав программного обеспечения ЭВМ и сервисных услуг(операционная система или среда, пакеты прикладных программ,средства автоматизации программирования).В широком смысле архитектура охватывает понятие организациисистемы, включающее такие аспекты разработки компьютера как системупамяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п.В узком смысле под архитектурой понимают архитектуру набора команд.Архитектура набора команд определяет границу между аппаратным ипрограммным обеспечением и представляет ту часть системы, которая виднапрограммисту или разработчику компиляторов.2.RISC- и CISC-архитектурыДвумя основными архитектурами набора команд, используемымикомпьютернойпромышленностьюнасовременномэтаперазвитиявычислительной техники, являются архитектуры CISC и RISC.Основоположником CISC-архитектуры – архитектуры с полным наборомкоманд (CISC – Complete Instruction Set Computer) можно считать фирму IBM с еебазовой архитектурой IBM/360, ядро которой используется с 1964 г.

и дошло донаших дней, например, в таких современных мейнфреймах, как IBM ES/9000.Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором командсчитается компания Intel с микропроцессорами X86 и Pentium. Это практическистандарт для рынка микропроцессоров.При проектировании суперминикомпьютеров на базе последнихдостижений СБИС-технологии оказалось невозможным полностью перенести внее архитектуру удачного компьютера, выполненного на другой элементной базе.Такой перенос был бы очень неэффективен из-за технических ограничений наресурсы кристалла: площадь, количество транзисторов, мощность рассеивания ит. д.Для снятия указанных ограничений в Беркли (США, Калифорния) быларазработана RISC(Restricted (reduced) instruction set computer)-архитектура(регистро-ориентированная архитектура). Компьютеры с такой архитектуройиногда называют компьютерами с сокращенным набором команд.

Суть ее состоитв выделении наиболее употребительных операций и создании архитектуры,приспособленной для их быстрой реализации. Это позволило в условияхограниченных ресурсов разработать компьютеры с высокой пропускнойспособностью.3.RISC архитектура3.1. Основные принципы RISC-архитектурыВ компьютерной индустрии наблюдается настоящий бум систем с RISCархитектурой. Рабочие станции и серверы, созданные на базе концепции RISC,завоевалилидирующиепозицииблагодарясвоимисключительнымхарактеристикам и уникальным свойствам операционных систем типа UNIX,используемых на этих платформах.В самом начале 80-х годов почти одновременно завершились теоретическиеисследования в области RISC-архитектуры, проводившиеся в Калифорнийском,Стэнфордском университетах, а также в лабораториях фирмы IBM.

Особуюзначимость имел проект RISC-1, который возглавили профессора ДавидПаттерсон и Карло Секуин. Именно они ввели в употребление термин RISC исформулировали четыре основных принципа RISC-архитектуры:• каждая команда независимо от ее типа выполняется за одинмашинный цикл, длительность которого должна быть максимальнокороткой;• все команды должны иметь одинаковую длину и использоватьминимум адресных форматов, что резко упрощает логику центральногоуправления процессором;• обращение к памяти происходит только при выполненииопераций записи и чтения, вся обработка данных осуществляетсяисключительно в регистровой структуре процессора;• система команд должна обеспечивать поддержку языка высокогоуровня. (Имеется в виду подбор системы команд, наиболее эффективнойдля различных языков программирования.)Со временем трактовка некоторых из этих принципов претерпелаизменения.

В частности, возросшие возможности технологии позволилисущественно смягчить ограничение состава команд: вместо полусотниинструкций, использовавшихся в архитектурах первого поколения, современныеRISC-процессоры реализуют около 150 инструкций. Однако основной закон RISCбыл и остается незыблемым: обработка данных должна вестись только врамках регистровой структуры и только в формате команд "регистр –регистр – регистр".В RISC-микропроцессорах значительную часть площади кристаллазанимает тракт обработки данных, а секции управления и дешифратору отводитсяочень небольшая его часть.Аппаратная поддержка выбранных операций, безусловно, сокращает времяих выполнения, однако критерием такой реализации является повышение общейпроизводительности компьютера в целом и его стоимость.

Поэтому приразработке архитектуры необходимо проанализировать результаты компромиссовмежду различными подходами, различными наборами операций и на их основевыбрать оптимальное решение.Развитие RISC-архитектуры в значительной степени определяется успехамив области проектирования оптимизирующих компиляторов. Только современнаятехнология компиляции позволяет эффективно использовать преимуществабольшого регистрового файла, конвейерной организации и высокой скоростивыполнения команд. Есть и другие свойства процесса оптимизации в технологиикомпиляции, обычно используемые в RISC-процессорах: реализация задержанныхпереходов и суперскалярная обработка, позволяющие в один и тот же моментвремени посылать на выполнение несколько команд.3.2.

Отличительные черты RISC- и CISC- архитектурКак уже отмечалось выше, двумя основными архитектурами набора команд,используемыми компьютерной промышленностью на современном этаперазвития вычислительной техники, являются архитектуры CISC и RISC.Простота архитектуры RISC-процессора обеспечивает его компактность,практическое отсутствие проблем с охлаждением кристалла, чего нет впроцессорах фирмы Intel, упорно придерживающейся пути развития архитектурыCISC.

Формирование стратегии CISC-архитектуры произошло за счеттехнологической возможности перенесения "центра тяжести" обработки данных спрограммного уровня системы на аппаратный, так как основной путь повышенияэффективности для CISC-компьютера виделся, в первую очередь, в упрощениикомпиляторов и минимизации исполняемого модуля. На сегодняшний день CISCпроцессоры почти монопольно занимают на компьютерном рынке секторперсональных компьютеров, однако RISC-процессорам нет равных в секторевысокопроизводительных серверов и рабочих станций.Основные черты RISC-архитектуры с аналогичными по характеру чертамиCISC-архитектуры отображаются следующим образом (табл. 3.1):Таблица 3.1. Основные черты архитектурыCISC-архитектураМногобайтовые командыМалое количестворегистровСложные командыОдна или менее команд заодин цикл процессораТрадиционно одноисполнительное устройствоRISC-архитектураОднобайтовые командыБольшое количество регистровПростые командыНесколько команд за один циклпроцессораНесколько исполнительныхустройствОдним из важных преимуществ RISC-архитектуры является высокаяскорость арифметических вычислений.